方志松

摘 要：隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，電臺中各類用電設(shè)備在快速增加，如何規(guī)范高效的使用這些用電設(shè)備，而又最大限度地節(jié)約能源是節(jié)約型電臺建設(shè)的一個主要內(nèi)容。對電臺中各類用電設(shè)備用電情況進行實時監(jiān)測是科學(xué)有效管理的基礎(chǔ)，文章根據(jù)電臺實際出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代通信技術(shù)，設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的電能監(jiān)測系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)進行試運行，其結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠方便、準確的對電臺中各個監(jiān)測點進行實時遠程電能質(zhì)量監(jiān)測，為節(jié)約用電管理成本，提高電臺能源管理水平提供了較好的支持。

關(guān)鍵詞：ZigBee；電能質(zhì)量監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee無線組網(wǎng)通信技術(shù)是近幾年迅速發(fā)展起來的一種低功耗近距離通信技術(shù)。相對于其它無線通信技術(shù)來說，其具有應(yīng)用靈活、蓄電時間長、自組網(wǎng)能力強、成本低以及可靠性高等特點[1]。ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)通信能力的差異可以分為全功能設(shè)備節(jié)點（FFD）以及精簡功能設(shè)備節(jié)點（RFD）。其中FFD節(jié)點具備ZigBee協(xié)議中的全部功能，同時具備一定的計算能力以及較大的存儲容量，可以在無線通信網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和路由器功能，并可以當作終端節(jié)點進行工作；而RFD節(jié)點只具備ZigBee協(xié)議中所描述的部分功能，其只能當作終端節(jié)點工作，復(fù)雜度和成本相對較低。全功能設(shè)備節(jié)點FFD設(shè)備之間以及全功能設(shè)備節(jié)點FFD設(shè)備與精簡功能設(shè)備節(jié)點RFD之間都可以進行直接通信，但是精簡功能設(shè)備節(jié)點RFD之間無法直接進行通信，它必須與FFD設(shè)備節(jié)點直接進行通信，或者通過FFD設(shè)備節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)通信。

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

目前市面上的ZigBee芯片種類較多[2]，常見的包括TI/Chipcon公司的CC2430、Ember公司的EM2420以及Freeseale公司的MC13192等。各類芯片均有自己的優(yōu)點并且具有獨立的解決方案。其中TI/Chipcon公司的CC2430芯片是目前最為常用的一款ZigBee芯片，同時也是一款真正意義上的嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。因此，文章選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路搭建無線通信模塊。

2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計

圖1所示為傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計原理框圖，系統(tǒng)通過模塊化的方式進行設(shè)計，主要功能模塊如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊；（3）電能計量模塊：利用ATT7022功率芯片及其外圍電路構(gòu)建電能計量模塊；（4）對時模塊：采用1302時鐘模塊；（5）人機交互模塊：包括鍵盤、顯示等多個模塊；（6）開關(guān)控制模塊：主要包括繼電器控制模塊，比如開合閘控制等；（7）安全報警信息采集模塊：主要對變壓器電力運行狀態(tài)信息進行采集；（8）數(shù)據(jù)存儲模塊：利用鐵電存儲器24C512對采集模塊所收集的數(shù)據(jù)進行存儲。

圖1 傳感器硬件設(shè)計框架

2.2 路由器節(jié)點設(shè)計

圖2 ZigBee路由器節(jié)點硬件設(shè)計框架

如圖2所示，給出了ZigBee路由器節(jié)點的硬件設(shè)計框架，路由器節(jié)點的功能模塊具體如下：（1）無線通信模塊+MCU控制模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊：（2）數(shù)據(jù)存儲模塊：采用鐵電存儲器24C512對所采集的信息數(shù)據(jù)進行存儲。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計框架

如圖3所示為協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計框架，其主要功能模塊描述如下：（1）MCU主控芯片：主控芯片選擇C8051F020單片機；（2）無線通信模塊：選擇CC2430 SOC芯片及其外圍電路構(gòu)建無線通信模塊；（3）對時模塊：采用1302時鐘模塊；（4）數(shù)據(jù)存儲模塊：采用鐵電存儲器24C512對所采集的信息數(shù)據(jù)進行存儲；（5）以太網(wǎng)通信模塊：選擇以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS及其外圍電路構(gòu)建以太網(wǎng)通信電路。

3 系統(tǒng)的運行監(jiān)測

系統(tǒng)的各個監(jiān)測節(jié)點以每個工頻周期采樣256個點的采樣周期，對監(jiān)測點的電力數(shù)據(jù)進行不間斷采集。通過傳感器對電網(wǎng)中的三相電壓、電流信號進行收集，同時利用CC2430自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信息，將ZigBee協(xié)議棧以及監(jiān)測節(jié)點的應(yīng)用程序存儲在鐵電存儲器24C512中。監(jiān)測節(jié)點采用接觸式測量方式對被監(jiān)測點的電力數(shù)據(jù)進行測量，監(jiān)測點選擇用電設(shè)備附近布置。監(jiān)測點的電源模塊主要采用電磁感應(yīng)原理，通過在用電設(shè)備電源進線端套接取能線圈的方式，將導(dǎo)線的電磁能量轉(zhuǎn)換到二次側(cè)取電能，同時通過整流濾波等方式實現(xiàn)隔離式供電，避免對監(jiān)測點的傳感數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。路由節(jié)點僅需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)射與接收，相對與監(jiān)測節(jié)點來說，硬件上不涉及模擬量的轉(zhuǎn)換，供電方式可以采用電池供電。

系統(tǒng)的監(jiān)控中心分為本地監(jiān)控中心和遠程監(jiān)控中心兩個部分[3]，其中本地監(jiān)控中心接收ZigBee組網(wǎng)中所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過小波變換和支持向量機，對監(jiān)測節(jié)點的電能質(zhì)量變化情況進行識別，同時將各監(jiān)測節(jié)點收集的數(shù)據(jù)存儲起來，實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心對各個監(jiān)測節(jié)點電能質(zhì)量的監(jiān)測。遠程監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)通信模塊，接收ZigBee組網(wǎng)中所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的硬件接口與PC端進行連接，并借助于上位機軟件將所有監(jiān)測節(jié)點的電能質(zhì)量狀態(tài)在顯示屏中顯示出來，從而使監(jiān)控中心工作人員能夠?qū)Ω鱾€區(qū)域的電能質(zhì)量進行實時監(jiān)控，有效提高了控制中心的分析、決策能力，提升管理的智能化水平，并為電力的合理分配以及電力系統(tǒng)的可靠安全運行提供實時依據(jù)。

4 結(jié)束語

為了滿足電臺電能監(jiān)測的要求，文章提出了一種基于ZigBee技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊性能穩(wěn)定、高效，同時具有完善的軟件功能，能夠為電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供很好的技術(shù)支持。從對節(jié)點的測試情況來看，系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)對各個節(jié)點電能質(zhì)量的監(jiān)測，這對類似單位的電能管理工作提供了很好的解決方案。

參考文獻

[1]王玲，康健，鄒宏亮，等.實時電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2011（2）：108-111.

[2]余曉鵬，李瓊林，杜習(xí)周，等.基于IEC 61850的電能質(zhì)量監(jiān)測終端數(shù)據(jù)分析及模型實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2011（4）：56-60.

[3]李小博，黃新波，陳紹英，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能變電站設(shè)備溫度綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J].高壓電器，2011（8）：18-21+32.